JP3775134B2

JP3775134B2 - 自家発電設備

Info

Publication number: JP3775134B2
Application number: JP28768799A
Authority: JP
Inventors: 浩有田; 和宏今家; 聡百々; 邦良坪内; 康昭赤津; 修横溝
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1999-10-08
Filing date: 1999-10-08
Publication date: 2006-05-17
Anticipated expiration: 2019-10-08
Also published as: JP2001112176A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、需要が変動する家屋・集合住宅の各区画等に電力を供給するのに好適な自家発電設備に関する。
【０００２】
【従来の技術】
内燃機関を用いて自家発電による電力と排熱を利用した熱を供給する、いわゆるコジェネレーション設備としては、これまでに多数の例が提案されている。例えば、電力需要数１００ｋＷ以上、熱需要も数１０万kcal／ｈ以上という大規模施設であり、電力，熱ともに比較的安定している負荷を対象としたものとして、クリーンエネルギーＶol.６Ｎo.１２（１９９７年日本工業出版）ページ１―６に記載があるように、コージェネレーション設備は、電力と、熱源としての燃料を別個に購入する場合に比べてエネルギー利用率が高く、かつ電力料金と燃料費を合わせたエネルギー費用を節約できるという利点があり、今後も多数の施設で導入が見込まれている。また、一例としてクリーンエネルギーＶol.６Ｎo.１２（１９９７年日本工業出版）ページ３に一日の負荷変動が載っているが、最大負荷と平均の比は高々２倍程度である。また、昼間だけで見ればもっと変動は小さく、夜間は発電を停止し、昼間は定格出力に近い出力で運転することができる。また、変動分は電力会社の系統からの購入で吸収している例が多い。
【０００３】
また、発電出力を一定としたベース運転モードには、ＯＨＭ１９９９年５月号ページ８８−８９に記載されているように、一つは、夜間など一般に電力負荷が経る時間帯を鑑み、このときの負荷より小さい容量を導入するケースがある。この方法で、コジェネレーションの導入・運用を行うと発電機の容量が建物のデマンドに対して大幅に小さいものとなり、たとえ排熱が十分利用できたとしても建物全体のエネルギー負荷に対するコージェネレーションの寄与率も小さく、需要家において省エネルギー性や経済性といった導入効果は小さいものとなってしまう。
【０００４】
二つめは、逆潮流を可として、夜間に売電してでも一定出力でベース運転するケースである。この場合、規模の大きなコージェネレーションが導入可能で、排熱が十分利用できるという条件付きで大きな省エネルギー効果も期待できるが、夜間などに発生するコージェネレーションからの余剰電力に対して電力会社の購入単価がコージェネレーションの発電単価よりも現状は安価であり、特に夜間はより安くなるため、経済性の観点から鑑みると余り望ましいものとは言えない。一方、家庭等の小規模な施設では、図２に例を示すように電力負荷の変動が激しく、最大負荷と平均負荷との比は３〜４倍、あるいはそれ以上になる。このような大きな負荷変動に自家発電設備の出力変動のみで対応しようとすると、平均的には定格（最大）出力の１／３以下で発電設備を運転しなくてはならない。通常の家庭で使う電灯電力の契約は１００ボルトで２０〜５０アンペア、最大でも６０アンペアであり、たとえば４０アンペアの契約をしている家庭では最大約４ｋＷの電力を使えるが、平均的にはその１／３以下、多くの場合０.１〜１キロワットの需要であることが多い。この場合、発電出力を一定としたベース運転モードでは、夜間などに発生するコージェネレーションからの余剰電力に対して電力会社の購入単価がコージェネレーションの発電単価よりも現状は安価であり、特に夜間はより安くなるため、自家発電によって電力購入料金が節約できる効果が小さくなってしまう。
【０００５】
なお、自家発電設備に関する技術としては、特開平8−47175号公報，特開昭58−58836号公報，特開平6−38408号公報等に記載のものが挙げられる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
前述したように、家庭等の小規模な施設では最大負荷と平均負荷との比が大きく、また負荷変動も大きなものとなってしまう。ここで、内燃機関を用いた自家発電設備を、発電出力一定としたベース運転を行っても、燃料を多量に消費してしまい経済性の観点から鑑みると余り望ましいものとは言えない。
【０００７】
そこで、内燃機関の出力を負荷の変動に応じて変動させる運転を行った場合、内燃機関が安定出力を得るまでには、数秒から数分の時間が必要となってしまう。このため、負荷が急増した場合に内燃機関の出力を増加させても、必要負荷まで到達するのに時間が掛かり、この間の発電機の出力だけでは電力不足を生じてしまう。
【０００８】
本発明の目的は、負荷電力の需要変動に対して追従性を向上させた自家発電設備を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の自家発電設備は、内燃機関を用いた発電設備と、該発電機の出力交流電圧を直流電圧に整流する整流装置と、その直流電圧を入力として負荷に対して直流を交流に変換して供給する電力変換装置と、前記整流装置で整流された直流電圧を充電する二次電池と、該二次電池の電力を放電する場合、前記整流装置と電力変換装置間の直流電圧が設定された値に一定に保たれるように制御するとともに、前記二次電池に直流電圧を充電する双方向直流電力変換装置とを備えた自家発電設備において、前記発電設備の出力，前記蓄電設備の容量および負荷電力を検出して、前記発電設備を所定出力に制御すると共に、負荷の電力需要に応じて前記二次電池の出力を制御する出力制御装置を備えたことを特徴とするものである。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例について図面を用いて説明する。図１は、本発明の一実施例である自家発電設備の構成図を示す。自家発電装置は、内燃機関３７と発電機５が連結され、その発電機出力を波形成形して需要家に交流電力を供給するために、電力変換装置２，電力線２５，平滑コンデンサ６，電力変換装置１により構成されている。また二次電池４は、リアクトル４０，直流電力変換装置３を介して、電力線２６により平滑コンデンサ６に結合されている。尚、該発電機５は通常、起動時は、電動機として利用する。
【００１２】
複数の需要家負荷５１は、通常電力系統４１（ここでは低圧配電線への連系を示している）から受電用遮断器４２，電力線４３，配線用遮断器４８を通し、分配用の配線遮断器４９により複数の負荷需要に分配され、電力線５０により連系されている。自家発電装置と需要家負荷５１との連系には、発電機用遮断器２７，電力線２８を介して、該配電用遮断器４８と連系されている。尚、低圧配電線への系統連系は、現時点では、高圧配電線に地絡が発生した場合に、配電用変電所の地絡継電器などにより、当該配電線がまず遮断され、その後、低圧配電線へ連系する分散電源が単独運転となるため、単独運転検出機能により、これを解列する方法が有効である。この場合、地絡発生後、分散電源を解列するまでの時間を１秒以内にする必要がある。
【００１３】
図１では、系統への逆潮流なしの場合を示しており、電力線４３に電流測定用ＣＴ４４，電圧測定用ＰＴ４５を設けて、逆電力継電器４６および不足周波数継電器４７を設置している。電力系統４１側で地絡事故が発生した場合は、逆電力継電器４６，不足周波数継電器４７により、事故を検出し、受電用遮断器４２をトリップさせることにより、単独運転を防止するようにしている。また逆潮流ありの場合においても、該電力変換装置１のゲートブロックにより、自家発電装置の高速な負荷への供給を停止することができる。
【００１４】
制御測定系としては、発電機５と電力変換装置２との連系線に発電機出力を監視する発電機出力監視用モニター２１が設置され、電力線２８には、負荷の電力需要を監視する電力需要モニター３１が設置されている。また、発電機出力監視用モニター２１，平滑コンデンサ６，二次電池４，負荷の電力需要モニター３１の各信号線は２２，２４，３０，３２は、発電機出力制御装置３３に接続されている。なお、発電機出力制御装置３３に設けられた信号線３４は、燃料コントローラ３５介して、燃料ポンプ３６に接続され、内燃機関３７を制御するようになっている。尚、内燃機関には、ガソリンエンジン，ディーゼルエンジン，ガスエンジン，ケロシンエンジン，ロータリエンジン，ガスタービンを適用することができる。
【００１５】
このように構成された自家発電装置において、常時は、負荷需要が少ないため、発電機は最小出力運転状態にあるが、負荷の電力需要モニター３１に監視されている負荷需要が急増した場合、最初の数秒ないし数分の間は、２次電池４からの放電により、電力変換装置１を介して、負荷へ電力供給をする。その間に、発電機出力制御装置３３は、信号線３０の信号から２次電池４の電池容量監視、および負荷の電力需要モニター３１の信号線３２から信号から負荷を監視し、必要な電力を演算する。また、発電機出力監視用モニター２１の信号線２２あるいは平滑コンデンサ６の電圧信号線２４の信号からの発電機５の出力状態と、必要な電力値の比較により、発電機出力の増加出力指令を決定する。この出力を燃料コントローラ３５に与えることにより、数秒ないし数分の間に、発電機５を負荷の需要に対応した最適運転状態にすることができる。発電機５が出力増加すると、２次電池４は充電状態に入る。発電機が急減した場合においても同様の制御により、発電機出力制御装置３３の減少出力指令により、制御することができる。尚、発電機の出力状態の監視は、発電機出口の電圧監視による発電機の周波数（周波数と期待できる電力出力がほぼ比例状態にある）でも良いし、平滑コンデンサ６の直流電圧から監視しても良い。
【００１６】
当初、二次電池４の残存容量がない場合は、発電機５は、短時間で負荷の残存容量を満たすため、負荷需要が少ない場合においても、出力を負荷需要より大きく出力することが望ましい。また電池の容量を小さくするためには、発電機の出力応答性が良いものを選択することが望まれる。例えば、数秒で出力応答・安定性のある場合は、平滑コンデンサ６の容量を、数秒の負荷需要変動に耐えるものとすることにより、二次電池の容量を、発電機起動時だけの最小の電池容量に限定することができる。
【００１７】
上述したように、本実施例によれば、負荷需要が増減に対し、発電機出力が不足・超過する場合において、発電機出力増減指令により発電機出力が安定するまでの間、電力変換装置１と直流電力変換装置３が電池より電力を負荷に対して短時間供給し、その間に発電出力制御装置の出力の出力指令により、適正な発電機出力に制御することができる。このため、安定的に負荷に電力を供給することができ、しかも発電機の燃料を節約することができる。
【００１８】
図３は、図１に示す発電機出力制御装置３３の詳細図である。発電機出力制御装置３３は、信号線２２，２４を入力とする発電機出力監視部６１と、信号線３０を入力とする電池容量監視部６２と、信号線３２を入力とする負荷電力監視部６３とを備えている。演算部６４では、電池容量監視部６２と負荷電力Ｐ_Lを監視する監視部６３を入力とする必要な発電機出力Ｐ_N，発電機出力指令Ｐ_N0を必要な発電機出力：Ｐ_N＝Ｐ_BN＋Ｐ_L
発電機出力指令：Ｐ_N0＝Ｐ_N＋α
として演算を行っている。
【００１９】
なお、上式においてＰ_BNおよびαは「Ｐ_BN＝（電池初期電力量―電池残存電力量）／充電時間」、「α＝設定余裕出力」を現わしたものである。
【００２０】
上記において、電池が放電出力として利用できる最大電力量を電池初期電力量と設定すると良い。また、電池初期電力量と電池残存電力量との差分は、出力として利用した放電電力量となる。この演算部６４での出力と発電機最小出力値（Ｐ_G0）６５とを入力として発電機出力状態比較器６６により、運転状態を判断する。すなわち、Ｐ_G0＞Ｐ_Nならば、最小出力運転６７状態を続け、Ｐ_G0 ＜Ｐ_Nならば、比較器６８の入力とする。
【００２１】
この比較器６６により、発電機の部分負荷の最小運転状態を指令している。次に、最適な出力運転状態にするために、発電機出力監視部６１と比較器６６の出力を入力として第２の比較器６８により判断する。すなわち、Ｐ_G＜Ｐ_Nならば、最大出力運転６９状態として、Ｐ_G＞Ｐ_Nならば、Ｐ_G＝Ｐ_N0として最適出力運転７０状態に移行する。このように、発電機出力制御装置３３で出力制御を行うことにより、発電機の出力を最小出力運転の部分負荷から、最大出力まで、負荷需要に追従させながら、安定的に運転状態を維持することができる。
【００２２】
以上述べたように、本実施例によれば、発電設備の出力を負荷の変動に追従して制御しているので、負荷需要に対応して発電することができ、しかも、低負荷需要の場合、最小出力運転もできるので、燃料コストを低減する効果がある。
【００２３】
図４に電力変換装置１，２および直流電力変換装置３の詳細な制御実施例を示す。発電機５と、電力変換装置２（ここでは、その交流出力電圧を整流する整流器として機能）と、その直流出力電圧を入力として、負荷５１に対して交流電圧を供給する電力変換装置１を備えている。電力変換装置は自励式変換装置とする。その直流部分には、直流リプルを吸収し、直流電圧を平滑化するためにコンデンサ６を設置する。
【００２４】
これらの構成により、発電機５の出力周波数が変動した場合でも電力変換装置１，２の間で一旦直流に変換されているため、その変動に左右されることなく、一定の電圧を負荷に対して供給することができる。電力変換装置１は、負荷５１に対して出力される電圧の検出値と、出力電圧指令を与える手段１０からの指令との差を、それらの差が小さくなるように制御する電圧制御回路９−１に入力し、電流指令値とする。その電流指令値と負荷電流の検出値との差をそれらの差が小さくなるように制御する電流制御回路８−１に入力し、変調波指令とする。
【００２５】
変調波指令は例えば、図５に示すように、三角波の搬送波と比較し、電力変換装置の出力電圧が図５に示すＰＷＭ波形に成るようにスイッチングするように制御する。
【００２６】
さらに、二次電池４を入力として、二次電池４の直流電圧をコンデンサ６に生じる直流電圧の平均値より、わずかに低い値で、電力変換装置１が交流に変換したあと、負荷５１の要求する交流電圧を十分満足できる値を出力する半導体式の直流電力変換装置３を備えている。直流電力変換装置３は、二次電池の電力を放電する場合、電力変換装置２と電力変換装置１の間の直流電圧を一定に制御するため、その直流電圧の検出値と、直流電圧指令を与える手段からの直流電圧指令１１との差をそれらの差が小さくなるように制御する電圧制御回路９−２に入力し、電流指令とする。また、二次電池の出力電流を制限して、電池を保護するために電池電流を検出しその検出値と前述の電流指令値の差をそれらの差が小さくなるように制御する電流制御回路８−２に入力し、図５の場合と同様、三角波の搬送波と比較し、電力変換装置１，２の間の直流電圧を一定にするようにスイッチング信号を直流電力変換装置３に与える。
【００２７】
また、発電機出力増加指令が入力されてから数秒〜数分経過し、発電機５の出力が安定すると、電力変換装置２（整流機能）を通して出力される直流電圧は直流電力変換装置３により出力される電圧より高いため、直流電力変換器からの出力電流は、小さくなる。電池電圧は、電池の破損を防ぎかつ負荷が変動した場合に電力を放電できる値に保っておく必要がある。このため、電池電圧設定手段からの電池電圧指令１２と電池電圧の検出値との差をその検出値と前述の電流指令値の差をそれらの差が小さくなるように制御する電圧制御回路９−３に入力し、電流指令とする。また、二次電池の入力電流を制限して、電池を保護するために電池電流を検出しその検出値と前述の電流指令値の差をそれらの差が小さくなるように制御する電流制御回路８−３に入力し、図５の場合と同様、三角波の搬送波と比較し、電力変換装置１と電力変換装置２の間の直流電圧を一定にするようにスイッチング信号を直流電力変換装置３に与える。
【００２８】
直流電力変換装置３に与えられるスイッチング信号は、電池電力放電時に、電力変換装置１，２の間の直流電圧を制御する場合も、電池電力充電時電池電圧を制御する場合も昇圧降圧切換回路１６を通して与えられる。これらの選択は、１と２の間の直流電圧値と電力変換装置２（整流機能）の出力電圧値の大小関係に依存し、直流電力変換装置３の出力が電力変換装置２の出力電圧より大きい時、ＰＷＭ信号７−２を用い、逆の場合ＰＷＭ信号７−３を用いる。
【００２９】
直流電力変換装置３は、電池電圧が、発電機５が安定したとき電力変換装置２（整流機能）を介して出力される直流電圧より小さい場合、例えば図６に示すように、スイッチング素子を２つ直列に接続した下側の一端を電池の負極に接続し、スイッチング素子の中点をインダクタンスを介して電池の陽極側に接続する。スイッチング素子を２つ直列に接続した両端は、電力変換装置１，２間の平滑コンデンサ６の両端に接続する。ＰＷＭ出力７−２を使用して電池電力を放電する場合は、直列に接続した下側のスイッチング素子を７−２に従いスイッチングし、スイッチング素子がonしたときインダクタンスにエネルギーを蓄積し、off したとき、電池電圧とインダクタンスのエネルギーにより電池電圧より高い電圧を平滑コンデンサ６に上側のスイッチング素子内のダイオードを介して充電する。また、ＰＷＭ出力７−３を使用して二次電池４に電力を充電する場合は、直列に接続した上側のスイッチング素子を７−３に従いスイッチングし、スイッチング素子がonしたときインダクタンスを介して、平滑コンデンサ６の電力を電池に充電する。スイッチング素子がoff しているとき、下側のスイッチング素子内のダイオードを介してインダクタンスに蓄積したエネルギーを循環させる。これらの動作により、電池電力を充放電させることができる。
【００３０】
上述の機能を備えることにより、例えば、負荷需要が増大し、発電機出力が不足する場合において、発電機出力増加指令により発電機出力が増加し、出力が安定するまでの間、電力変換装置１と直流電力変換装置３が二次電池４より電力を負荷５１に対して供給し、数秒から数分経過して発電機５の出力が増大安定した時、電力変換装置２を介して発電機５の出力が出力され、最終的に電力変換装置１により負荷５１に電力が供給されるので、安定的に電力を供給することができる。
【００３１】
図７は、直流電力変換装置３の別の制御実施例を示す。図６では、直流電圧指令値を固定していたが、直流電圧指令を電力変換装置１の出力電力１７−２と電力変換装置２の出力電力１７−１の差により作るものである。これにより、負荷が変動し出力容量が大きくなった場合、直流電圧指令は大となり、また、出力容量が小さくなった場合、直流電圧指令は小となり、変動分を二次電池４の電力で吸収することができる。これにより、発電機５に対する出力可変要求に対し、安定的に出力されるまでの過渡期間に対し、安定的に負荷に電力を供給することができる。
【００３２】
【発明の効果】
本発明例によれば、負荷電力の需要変動に対して追従性を向上させた自家発電設備を提供できるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例である自家発電装置の構成図。
【図２】電力負荷変動の一例を示す図。
【図３】本実施例の発電機制御装置の詳細図。
【図４】負荷変動に対応した詳細な制御実施図。
【図５】電力変換装置の出力電圧制御例。
【図６】直流電力変換装置の実施例を示す図。
【図７】直流電力変換装置の制御方法構成図。
【符号の説明】
１，２…電力変換装置、３…直流電力変換装置、４…二次電池、５…発電機、６…平滑コンデンサ、１０…出力電圧指令、１１…直流電圧指令、１２…電池電圧指令、１６…昇圧降圧切換回路、２１…発電機出力監視用モニター、２７…発電機用遮断器、３１…電力需要モニター、３３…発電機出力制御装置、３５…燃料コントローラ、３６…燃料ポンプ、３７…内燃機関、４０…リアクトル、４１…電力系統、４２…受電用遮断器、４３…電力線、４４…電流測定用ＣＴ、４５…電圧測定用ＰＴ、４６…逆電力継電器、４７…不足周波数継電器、４８…配電用遮断器、４９…配電遮断器、５０…電力線、５１…需要家負荷、６１…発電機制御監視部、６２…電池容量監視部、６３…負荷電力監視部、６４…演算部、６５…発電機最小出力値、６６，６８…比較器。

Claims

内燃機関を用いた発電設備と、該発電機の出力交流電圧を直流電圧に整流する整流装置と、その直流電圧を入力として負荷に対して直流を交流に変換して供給する電力変換装置と、前記整流装置で整流された直流電圧を充電する二次電池と、該二次電池の電力を放電する場合、前記整流装置と電力変換装置間の直流電圧が設定された値に一定に保たれるように制御するとともに、前記二次電池に直流電圧を充電する双方向直流電力変換装置とを備えた自家発電設備において、
前記発電設備の出力，前記蓄電設備の容量および負荷電力を検出して、前記発電設備を所定出力に制御すると共に、負荷の電力需要に応じて前記二次電池の出力を制御する出力制御装置を備えたことを特徴とする自家発電設備。
前記出力制御装置は、負荷需要が増大した場合に前記発電設備の出力増大指令を出力し、前記双方向直流電力変換装置で前記二次電池からの出力を負荷に供給するのに必要な交流電圧が得られる直流電圧に変換して、負荷に電力を供給するものであることを特徴とする請求項１に記載の自家発電設備。